黑洞吸積

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更新時間: 2013-09-04

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黑洞通常是因為它們聚攏周圍的氣體產生輻射而被發現的,這一過程被稱為吸積。高溫氣體輻射熱能的效率會嚴重影響吸積流的幾何與動力學特性。目前觀測到了輻射效率較高的薄盤以及輻射效率較低的厚盤。當吸積氣體接近中央黑洞時,它們產生的輻射對黑洞的自轉以及視界的存在極為敏感。對吸積黑洞光度和光譜的分析為旋轉黑洞和視界的存在提供了強有力的證據。數值模擬也顯示吸積黑洞經常出現相對論噴流也部分是由黑洞的自轉所驅動的。

  轉載申明:Ramesh Narayan、Eliot Quartaer 文 Shea 譯

  天體物理學家用「吸積」這個詞來描述物質向中央引力體或者是中央延展物質系統的流動。吸積是天體物理中最普遍的過程之一,而且也正是因為吸積才形成了我們周圍許多常見的結構。在宇宙早期,當氣體朝由暗物質造成的引力勢阱中心流動時形成了星系。即使到了今天,恆星依然是由氣體雲在其自身引力作用下坍縮碎裂,進而通過吸積周圍氣體而形成的。行星——包括地球——也是在新形成的恆星周圍通過氣體和岩石的聚集而形成的。但是當中央天體是一個黑洞時,吸積就會展現出它最為壯觀的一面。

  黑洞是愛因斯坦廣義相對論最為驚人的預言之一:如此大的質量集中在一個非常小的體積內,致使引力壓倒了一切其他的力,使得沒有東西——包括光——可以逃脫。與普通的表面不同,黑洞有一個視界,這個虛擬的表面將黑洞內部與外界隔開。有意思的是,廣義相對論預言類似天體物理學研究的宏觀黑洞是極為簡單的天體;僅僅使用兩個參數就可以完全描述它們,這兩個參數一個是質量,另一個是自轉。

  現在天文學家意識到黑洞有許多種,從幾個太陽質量的恆星質量黑洞到106-109個太陽質量的超大質量黑洞。在這兩者之間是否存在中等質量黑洞目前還不能確定,它正是目前研究的熱點。當30-100個太陽質量的恆星耗盡其核燃料就會在其自身引力作用下坍縮,形成大約10個太陽質量的黑洞;在諸如銀河系這樣的星系中可能有1千萬個這樣的黑洞。其中絕大多數無法看見,但是當它們吸積來自伴星的物質時就會成為明亮的X射線源;它們被稱為X射線雙星。更為壯觀的是,坍縮星中央新形成的黑洞吸積可能會產生宇宙間最劇烈的爆發——γ射線暴。

  除了這些小黑洞外,現在有越來越多的證據顯示,幾乎在每個星系的中心都有一個超大質量黑洞。它們的質量從106-109個太陽質量不等,而且還與宿主星系核球的質量緊密相關,大約是核球的1/1000。超大質量黑洞的最直接證據來自銀河系中心,在那裡恆星繞中央黑洞轉動的橢圓軌道已經被觀測到了,這可以精確定出它的質量為3.7×106個太陽質量。當超大質量黑洞吸積周圍的氣體時,它就會成為活動星系核。活動星系核可以極為明亮(達到1048爾格/ 秒),壓倒其宿主星系中的所有恆星。

  儘管中央超大質量黑洞的存在已經被人廣為接受,但是對它們的形成過程仍然一無所知。黑洞質量與星系質量的緊密聯繫預示超大質量黑洞的形成是與其宿主星系的形成分不開的。對這一現象的一個潛在解釋是,當黑洞通過吸積生長時,它會在其周圍沉澱下足夠的動量和能量,以此來吹散星系中的氣體切斷自己的物質補給。這一過程也會決定星系中所能形成恆星的總數,而且可以歸整大到星系團尺度的結構。因此,儘管還沒有引起足夠的重視,但是黑洞確實在宇宙結構的形成與演化中扮演了重要的角色。

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